Цифровой анализатор спектра фурье

 

С4етоз Соеетсииа

Социалистически к

Вес у (f>i,614440

К ДВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Зайвлено06,0476 (21) 2344895/18-24 с присоедииениеМ заявки ЭЬ(23) Приоритет— (43) Опубликовано 050778.6толлетень,В 25

Д (61) М. Кл. (т 06 Р 15/36

ГеерАерзтеееемй кеаетет

6ееете Меееетрее 666Р

N АЗИИ КЭЕЕРзтееее е атераткА (И) УДЫ 681.323 (088.8) (45) Дата опубликования описания 060678

В.И.Чайковский, В.Я.Краковский и В.Ф.Коваль (72) Двторьт изобретения (Щ 3аявитель ийститут кибернетики Ан украинской сср (54) ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА ФУРЬЕ

Изобретение относится к области вычислительной техники, предназначено для цифровой обработки сигналов в реальном масштабе времени и может быть использовано в .задачах обработ- 5 ки и отображения--нояазййх «ьчн- налов на Фоне помех, вычисления корреляции, свертки, спектрального анализа и.тому подобных. Решение перечисленных задач необходимо в таких областях тех- N ники как связь, радиолокация, звуковая локация, сейсмология, виброметрия и других.

Известны различные методы и аппаратура для выполнения дискретного преобразования спектра Фурье в реальном масштабе времени.

Алгоритмы и аппаратуру для спектрального анализа условно можно раз- . бить йа две группы. К первой группе относятся устройства, реализующие алгоритм, получивший в настоящее время широкое распространение и известный в литературе под названием алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ).

Ко второй группе относятся устройства, реализующие алгоритм прямого преобразования Фурье и осуществляющие вычислительные операции в паузах между вводом отсчетов исследуемого сиг30

2 нала. Обработка начинается одновременно с поступлением первого отсчета.

К устройствам такого типа относйтся цифровой генератор спектра Фурье (1) .

Цифровой анализатор спектра Фурье .

Я, содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) два оперативных запоминающих устройства, преобразователь

Р кода аргумента, генератор тактовых импульсов, делитель частоты, два умнсюкителя и два сумматора., Вычисление коэффициентов Фурье начинается непосредственно после поступления перво го отсчета исследуемой реализации, и нроцедура вычисления равномерно распределена по всей длительности реализации. Однаио при этом обрабатываемые отсчеты не запоминаются, что не позволяет. вычислить спектральные ха" рактеристики в режиме скольжения временного окна анализа. Наиболее близ" ким по технической сущности к изобретению является цифровой анализатор спектра Фурье (2(, содержащий генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к управляющим входам первого и второго блоков оператив ной памяти (БОП), ко входам генератора гармонических, сигналов и делители частоты, выход которого соединен с

614440 управляющими входами третьего блока оперативной памяти и АЦП, вход которого является входом анализатора. Выход АЦП подключен к первому входу пер.вого сумматора, а через третий БОП ко второму входу первого сумматора, выход которого подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого

БОП. Выход второго сумматора подключен к первым входам первого и второго блоков умножения, вторые входы которых соединены с первым и вторым выходами генератора гармонических сигналов, а выходы подключены соответственно к первым входам третьего и четвертого сумматоров, вторые входы которых соединены с выходами соответственно третьего и четвертого блоков умножения, первые входы которых подключены соответственно ко второму и первому выходам генератора гармонического сигнала. Выходы третьего и четвертого сумматоров подключены к информационным входам соответственно второго и первого БОП и являются выходами устройства. 25

Однако такое устройство содержит один канал, что позволяет анализиро" вать только действительные (вещественные) входные сигналы.

Отсутствие возможности осуществ- 30 лять анализ комплексных сигналов (2) ограничивает воэможность применения такого устройства в инвариантных к сдвигу исследуемого комплексного сигнала системах обработки и отображеЗ5 ния информации.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей цифрового анализатора спектра Фурье в резуль тате реализации устройства спектраль- 40 ного анализа, осуществляющего вычислительные операции в паузах между вводом отсчетов и обеспечивающего скользящий режим анализа спектра с одновременной компенсацией смешения интервала анализа относительно начала отсчета для комплексных сигналов.

Поставленная цель достигается тем, что в предложенное устройство введены второй АЦП, вход которого является вторым входом устройства, пя-0 тый и шестой сумматоры и четвертый

БОП. Выход делителя частоты подключен к управляккяим входам второго АЦП и четвертого БОП информационный вход которого соединей с выходом второго

АЦП и первым входом пятого сумматора, а выход - со вторым входом пятого суьаиатора, выход которого .подключен к первому входу шестого сумматора, второй вход которого соединен с ныхо- 60 дом второго БОП, а выход подключен ко вторым входам третьего и четветтого блоков умножения.

На чертеже представлена структурная схема цифрового анализатора спек- 65 тра Фурье, осуществляющего скользящий режим анализа комплексного сигнала с согласованием начальной фазы взвешивающей функции с началом интервала.

Анализатор содержит дна АЦП l н 2, на входы которых поступают действительная к (4) и мнимая у (4) составляющие входного комплексного сигнала, БОБ 3 и 4 для хранения дискретных отсчетов действительной и мнимой составляющих исследуемого участка реализации, сумматоры 5-10, блоки умножения 11-14, БОП 15 для хранения действительной составляющей спектра, БОП

16 для хранения мнимой составляющей спектра, генератор тактовых импульсов

17, делитель частоты 18, генератор 19 гармонических сигналов (формнрователь значений синусов и косинусов).

Вместо АЦП 1 и 2 могут быть использованы любые источники цифровых кодов, обеспечивающие подачу отсчетов комплексного сигнала, например, от ЭВМ.

Реализуя алгоритм дискретного преобразователя Фурье, цифровой анализатор скользящего спектра работает следующим образом.

Прн поступлении первых g отсчетов вычисление коэффициентов Фурье проиэнодится по следующей формуле:

Н-1 -j 2 и кр рЕ f e

КаО 7 где М вЂ” число исследуемых отсчетов)

Р— порядковый номер гармоникиу цифровые значений комплексных

К отсчетов;

) К (2)

Значения коэффициентов Фурье н соответствии с формулой (1) при поступле« нии (Я вЂ” 1)-ro отсчета н до поступления Я -го отсчета будут сформированы и записаны н соответствующих ячейках

B0II 15 и 16, выполненных н виде парал лельных цепочек сдвнгающих регистров, число фиксируемых слоев н каждом из которых соответствует числу определяемых коэффициентов Фурье.

Одновременно с вычислением коэффициентов Фурье в БОП 3 производится последовательная запись дейстнительной составляющей обрабатываемых отсчетов Х, а в БОП4 — мнимых составляющих обрабатываемых отсчетон

БОП 3 и 4 собраны из цепочек сдвигающих регистров. Число фиксируемых слоев в каждом из сднигающих регистров этих

БОП равно К, а число цепочек сдвигающих регистров соответствует разрядности анализируемых отсчетов, выдаваемых АЦП.

Можно сказать, что действительная и мнимая части текущего спектра сост нетстненно равны РЕГ .,=(йЕГ +(К -Х „))сов y-t.JmP (Ó -У Ябщ 21" Р

614440

Заметим, что формулы (3 и 4) справедливы и при 1 4 )(, если предположить, что 1 1К О:при g - К c() . Такое предположение всегда справедливо для каузальных сигналов. Таким образом, для получения действительной и мнимой составляющих текущего спектра при поступлении очередного отсчета f, сумматоры 7 и 9 формируют разностй (х Х<).> ) и (y+ —, ). .Полученные раэ ностй суммируются с выдаваемыми БОП 15 и 16 действительной ЯйР и мнимой)жf составляющими спектра соответственно сумматорами 8 и 10. Значения (ЯеУ +(»,-Х,„, Q подаются на первые входы блоков умножения 11 и 12, где производится их умножение (взвешивание) на значения весовых коэфФициентов (синуса и косинуса), выдаваемых генератором

19 (блоком Формирования значений синусов и косинусов). Одновременно с этим значения 3niF +(у -y +Q подают25 ся на первые входы блоков умножения

i3 и 14, где производится взвешивание на значения косинуса и синуса вычисля емой гармоники согласно выражения (3) в (4). 3)

Полученные на выходе блоков 12 и 14 произведения алгебраически суммируются сумматором 6. В результате на его выходе формируется отсчет текущего спектра %еИ,, который поступает на 38 первый выход анализатора и одновременно с этим записывается в БОП 15.

Аналогично происходят Формирование и запись отсчета М,, который выдается первым сумматором 5 на второй 40 выход анализатора и вход ВОП 16.

Синхронизация работы всех БОП, M. Ï

1 и 2 и генератора 19 (блока Формирования значений синусов и косинусов) осуществляется при помощи генератора тактовых импульсов 17 и делителя частоты 18. Отношение частот следования тактовых импульсов, поступающих с генератора 17 тактовых импульсов и де" лителя частоты 18, определяется числом определяемых гармоник спектра.

Блоки арифметического устройства (сумматоры и умножители) могут быть выполнены, например, в виде нетактируемых- комбинационных схем на потенциальных элементах и не требуют синхронизирующих тактовых импульсов.

Введение в схему предлагаемого анализатора спектра второго АЦП, четвертого БОП, пятого и шестого сумматоров, частичное изменение связей между су- 60 ществующими блоками и введение новых связей, приводящих к изменению процедуры. вычислений, расширяет его функциональные воэможности по сравненгю с прототипом, обеспечивая возможность - 65 вычисления составляющих спектра комплексного сигнала s скользящем режиме с согласованием начальной фазы взвешивающей функции с началом интервала анализа, т.е. осуществление инвариантного к сдвигу исследуемого комплексного сигнала режима спектрального анализа.

Формула изобретения цифровой анализатор спектра Фурье, содержащий генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к уп" равлякхцим входам первого и второго блоков оперативной памяти, ко входам генератора гармонических сигналов и делителя частоты, выход которого соединен с управляющими входами третьего блока оперативной памяти и аналогоцифрового преобразователя, вход которого является входом анализатора, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к первому входу первого сумматора, а через третий блок oneративной памяти ко второму входу первого сумматора, выход которого подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого блока оперативной памяти, выход второго сумматора подключен к первым входам первого и второго блоков умножения, вторые входы которых соединены с первым и вторым выходами генератора гармонических сигналов; а выходы подключены соответственно к первым входам третьего и четвертого сумматоров, вторые входи которых соединены с выходами соответственно третьего и четвертого блоков Умножения, первые входы которых подключены соответственно ко второму и первому выходам генератора гармонических сигналов, выхсды третьего и четвертого сумматоров подключены к информационным входам соответственно второго и первого блоков оперативной памяти и являются выходами устройства, о т— л и ч а ю щ и и с я тем, что, с цельн расширения Функциональных возможностей цифрового анализатора спектра

Фурье, в него введены второй аналогоцифровой преобразователь, вход которого является вторым входом устройства, пятый и шестой сумматоры и четвертый блок оперативной памяти; выход делителя частоты подключен к управляющим входам второго аналого-ц фрового преобразователя, и четвертого блока оперативной пам-ти, информационный вхсц которого соедйнен с выходо » второго аналого-цифрового преобразователя и первым входом пятого сумматора, а выход - со вторым входом пятого сумматора, выход. которого подключен к первому входу шестого сумматора, второй вход к.торого соединен с выхо

> г

Ф., i t .*", с э.

614440

Ссставитель В.Жовинский

Техред Е.давидович Корректор Н.Ковалева

Редактор Л.утехина

Заказ 3698/42 Тираж 826

ЦНИИПИ Гос

Подписное осударственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал

I илиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 дом второго блока оперативной памяти, а выход подключен ко вторим входам третьего и четвертого блоков умноже.ния.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Авторское свидетельство СССР

9 444466006633, 06 Р 15/36, 1974.

2. Заявка Р 2147593/24 от 23.06.76, 1 06 % 15/34 по которой вынесено решение о выдаче авторского свидетельства.